0、前言

　　數控加工中心與一般數控機床相比因帶有由刀庫和機械手組成的自動換刀裝置（ATC）使工件能在一次裝夾中完成大部分甚至全部工序，因而大大減少了裝卸工件和換刀輔助時間。同時消除了由于多次裝夾造成的定位誤差，比一般數控機床更能實現高精度、高效率、高度自動化加工。數控加工中心控制中的分度頭控制、多主軸控制以及對刀具的識別與選刀是影響加工中心工作性能的穩定和加工精度的關鍵部分。分度頭是安裝在主軸上的裝置，控制其在立面和斜面上的不同的轉角、在不同方向上的加工以及機械手插刀和撥刀的精度。而ATC 是根據數控系統選刀指令，從刀庫中將所需要的刀具轉到取刀位置，實現自動選刀；然后由機械手從刀庫和主軸上取出刀具，進行刀具交換，將新刀具裝進主軸，用過的舊刀具放回刀庫。而不同的刀具就涉及到了多個對加工主軸的控制，多主軸控制的穩定性是保證加工中心正確工作和精準定位的依據。

　　基于 PLC的控制方式特點是有獨立的CPU、存儲器等微機系統，使用程序控制方式，無觸點，串行方式，成品組裝，可靠性極強，安裝、使用、維護、維修方便，系統易更新換代。本文基于西門子的840D 數控系統對PLC 在加工中心數控系統的應用做了有關的探討和研究，對以上題目做出了解決方案。

1、數控系統的有關參數

　　研究對象的數控系統采用德國西門子公司840D 數控系統實現加工零件程序的編制及自動加工、編輯程序參數、數字化、刀庫機械手自動換刀、分度頭立面、斜面的自動分度，多主軸控制、與PLC 等外部設備的數據通訊、顯示報警、編輯機床數據、協調各主軸的自動運行等等功能。

　　伺服放大單元對CNC 輸出信號進行處理，達到變頻調速的目的，然后輸出給伺服電機。X、Y 放大單元采用日本FANUC30 型，Z軸采用日本FANUC30B，帶制動刀庫電機伺服采用FANUC10 型，電機內均裝有編碼器進行速度反饋，主軸伺服采用FANUC15S。光柵采用意大利生產的自帶放大器的LS704 和LB326。

2、對分度頭的控制

　　由于數控加工中心帶有刀庫機械手，萬能銑頭分度的正確與否直接關系到機械手的換刀和加工精度，采用PLC 對分度頭進行控制，檢測分度頭分度的精度，大大增縮短了數控仿形加工中心的調試時間，其具體設計如圖1：

圖1  PLC對分度頭的控制裝置

　　主軸電機連在servo unit 的T1、T2 接線上，電機帶動主軸箱旋轉從而帶動分度頭分度或旋轉,編碼器安裝在分度頭上檢測分度頭旋轉角度,反饋信號接到伺服單元的CNA 插座上,PLC 的I/O 端與伺服單元的CN1 和外部繼電保護相連接。數碼撥盤的輸出給servo unit的CNC ,以控制電動機的旋轉角度。通過對主軸單元A06B - 6059 - H215 # 516 和準停電路A06B -6059 - J130 的參數和短路棒設定使其運行。

　　主軸電機控制分度頭在立面和斜面的分度的度數，最大分辨率0.08°，由液壓系統控制立面、斜面的松開，從而控制立面斜面的分度，由主軸編碼器檢測電機的轉速反饋到CNC 控制系統，從而控制分度的度數。當立面斜面液壓系統夾緊時，主軸電機轉動帶動主軸旋轉進行機械加工；當刀庫機械換刀時，立面、斜面均回到零度位置進行換刀。

3、對多主軸的控制

　　3.1、840D對多主軸變量的定義

　　在現有的數控系統中，一般都提供兩種主軸控制方式：(1) 由NC 直接控制主軸，在NC 內部譯碼主軸旋轉方向M03、M04、M05 及編程速度， 再經主軸指令值的輸出口驅主軸伺服單元(或變頻器)，從而實現主軸轉速控制。(2) 由PLC 控制主軸：由NC 發出主軸速度和旋轉方向的控制命令，以數據形式編譯后存放在PLC 用戶數據區，經過處理再把數據返回到NC，驅動主軸伺服單元。

　　通過NC 直接控制主軸，簡單方便，但不能實現復雜的控制要求。通過PLC 來控制主軸，可以加進人為控制要求，對主軸可做更多處理。所以，多主軸控制可以通過PLC 來實現。在西門子840D 數控系統中，采用PLC 控制主軸，相關變量的含義如下：

　　VITBR 地址為%R1C.W，主軸速度參考值， 包含了在相應轉速范圍內（由機床參數設置M 40～M 45 的范圍） 的速度參考值。零件程序中沒有M03 或M04 時該值為0。

　　COMBR 地址為%W23.0， 主軸控制使能位。

　　C_ VITBR 地址為%W24.W ， 主軸速度設定值， 第 15 位為符號位。

　　CRMg 地址為%W100.5，PLC 用戶程序中的M 功能執行情況的標志位，CNC沒有對每個M 功能執行情況設置單獨標志， 而是使用同一的標志CRMg(g 表示軸組號， 1～8)。當CRMg為0 時該段程序的未執行部分不被執行， CNC 等到CRMg為1 時， 零件程序中的后續指令方可執行。

　　3.2、通過PLC 實現多主軸控制

　　多主軸控制的基本思想是：在系統只提供一個主軸控制通道和S 字地址時， 第二主軸的控制必須借用系統提供的主軸控制通道和S 字， 在 PLC 用戶程序中將其讀取， 并做轉向處理。而且第二主軸的控制命令中具有M 03鰙M 04 和S 值時才能輸出。

　　零件程序格式設計如下：

　　M 201 (M 202) [M 40～M 45 ] M 03 (M 04) S ;
　　M 201 (M 202) M 05;

　　其中，M 03 為主軸正轉指令；M 04 為主軸反轉指令；M 201 為第一主軸選擇指令；

　　M 202 為第二主軸選擇指令；M 40～M 45 為速度范圍選擇指令，為可選指令，在 M 202 時無效。

　　一般 CNC 系統沒有提供第二主軸輸出接口和驅動單元，但是一般的CNC 系統都提供了模擬量輸進/輸出口，所以第二主軸輸出可以放在模擬量輸出口，采用變頻器控制。第二主軸的倍率輸進也放在模擬量輸進口。這些也要由PLC 用戶程序完成。通過PLC 實現多主軸控制的原理框圖如圖2。

圖2  PLC 實現多主軸控制的原理框圖

4、對刀具的識別與選刀

　　4.1、刀具識別與選刀的方法

　　加工中心由計算機數控裝置(CNC) 發出選刀指令，將刀庫轉到所需刀具號的取刀位置的過程稱自動選刀。自動選刀有兩種方法：順序選刀和隨機選刀。順序選刀方法是刀具按預定工序的先后順序插進刀庫中，使用時按順序轉到取刀位置，用過的刀具放回原來的刀座內。特點是不需要刀具識別裝置，驅動裝置簡單，工作可靠，但刀庫中每把刀具在不同的工序中不能重復使用，假如刀具不按順序裝在刀庫中，將會產生嚴重的后果。

　　隨機選刀方法是根據指令要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中是任意存放的。每把刀具(或刀座) 均編上代碼，自動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具都經過“刀具識別”，當刀具代碼與CNC 指令代碼相符時，該刀具被選中，刀庫旋轉將刀具送到換刀位置。

　　4.2、可編程控制器(PLC) 實現隨機選刀

　　這種選刀方式中刀庫上的刀具能與主軸上的刀具任意直接的交換，該方式主要應用軟件來完成選刀。消除了由于識刀裝置的穩定性、可靠性帶來的選刀失誤。

　　4.2.1 刀具號和刀座號的同一

　　為說明方便，以刀庫8 把刀為例，刀庫有8 個刀座，可放8 把刀具。實際使用根據刀庫的實際而定。為方便使用BCD 碼表示，刀座固定位置編號為方框內1～8 號，O 為主軸刀位置號，如圖3 左邊所示。

圖3  刀庫模擬圖及刀號對照數據表

　　在PLC 內部建立模擬刀庫的數據表，數據表的表序號D0～D8 刀庫刀座編號逐一對應，每個表序號(D0～D8 ) 的內容即為刀具號，D0 的內容(D0 ) 為主軸上的刀具號。當刀庫旋轉時，每個刀座通過換刀位置時，給PLC 輸進脈沖，當刀庫正轉時，使計數脈沖加1 ，反轉時計數脈沖減1，PLC 內部計數器的值始終在1～8 間循環，且當前值即是刀庫當前刀座號位置，如圖3 右邊所示。

　　4.2.2 選刀的流程分析

　　當PLC 接受到來自CNC尋找新刀具的指令時，在內部的數據寄存器的模擬刀庫數據表中進行數據檢索，檢索到CNC給定的刀具號，該刀具號所在的刀座號位置與當前的刀庫位

　　置比較計算刀庫的轉向和相差的“間隔”，計算結果給刀庫軸發出總的脈沖數和脈沖頻率，使所需的刀座號轉到換到位置，為刀庫、機械手、主軸間的換刀作好預備。換刀流程圖如圖4 所示。

圖4 換刀流程圖

5、PROFIBUS-DP 實現實時通訊

　　現場總線（PROFIBUS）技術是實現現場級設備數字化通訊的一種產業層網絡通訊技術。應用現場技術可用一條電纜將現場設備智能化，帶有通訊接口連接，使用數字化通訊代替4～20mA/24VDC信號，完成現場設備控制、監測、遠程數字化等功能。由于現場總線的自動化監控系統采用計算機數字化通訊技術，使自動化系統與設備加進工廠信息網絡，成為企業信息網絡底層，使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到現場。系統采用PC 機加PROFIBUS-DP 網卡作為一類主站，網卡具有PROFIBUS/DP/FMS 接口。

　　選擇與網卡配合使用的軟件包，軟件功能可決定PC 機作一類主站還是只作編程監控的二類主站。從站選擇帶PROFIBUS 接口的PLC、分散式I/O、傳感器、驅動器等。從站性能指標首先滿足現場設備控制需要，再考慮PROFIBUS 接口題目，一些從站不具備PROFIBUS 接口，考慮外接PROFIBUS轉接口。

6、結論與展看

　　數控加工中心是綜合應用機械發展的新成就，并運用現代電子、丈量計算機等新技術，是機電一體化的結晶，目前已成為機械制造發展的重要方向。近年來， PLC 已具有強大的運算能力，良好的通訊功能，極高的處理速度，已獲得廣泛的應用。PLC技術具有成品組裝，可靠性極強，安裝、使用、維護、維修方便的特點。PLC在數控加工中心中的推廣和使用必然使得數控加工中心的控制系統更加靈活、工作性能更加穩定、加工精度更高、速度更快快、而功能更趨向于齊全。希看本文的有關技術研究給該領域的研究者帶來一定的啟發和裨益。

　　本文作者創新點：基于PLC的840D加工中心控制系統的新型解決方案，具有成品組裝，可靠性極強，安裝、使用、維護、維修方便等優點，同時實時性也得到大大改善。